基坑開挖與圍擋支護(hù)的數(shù)值模擬研究

肖雨瑤

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司 天津 300222）

0 引言

隨著大量的高層建筑及地下工程建設(shè)的進(jìn)展，基坑工程應(yīng)用越來越廣泛［1］。為了保證基坑的穩(wěn)定，早期基坑工程的開挖一般采用放坡的形式［2］。 但在進(jìn)行城市地鐵站開挖時， 由于開挖的深度深、 空間小，放坡無法滿足基坑工程的穩(wěn)定性要求。為了減少對地鐵站周圍建筑、 地下管道及道路等重要工程的影響，地鐵站基坑工程采用圍護(hù)開挖的方式。而基坑開挖以及圍擋支護(hù)引起的地鐵站周圍土體的沉降問題又凸現(xiàn)出來，需要進(jìn)行專題研究。

目前， 基坑工程引起周圍土體變形的研究方法主要有模型試驗、理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬3 種方法［3－8］。其中， 數(shù)值模擬是在考慮不同地質(zhì)條件和影響因素的情況下，建立基坑開挖模型，研究基坑開挖對周圍土體的影響。數(shù)值模擬由于分析工程問題全面、輸出結(jié)果直觀， 不僅能考慮不同地質(zhì)條件的土體來模擬實際工況， 而且可以通過修改土體與結(jié)構(gòu)參數(shù)以考慮不同因素的影響， 從而模擬每一個施工工況對應(yīng)的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)， 在工程項目的初步分析設(shè)計與計算研究中得到廣泛應(yīng)用。但是，數(shù)值模擬在基坑工程中的應(yīng)用研究主要體現(xiàn)在基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移和地表土體沉降的規(guī)律， 且開挖工程沒有考慮圍擋支護(hù)對周圍土體變形的影響。 筆者主要針對基坑開挖及圍擋支護(hù)對周圍土體變形的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析， 探討基坑開挖和圍擋支護(hù)引起周圍土體的內(nèi)力分布及變形的規(guī)律， 以期為實際工程的施工提供參考。

1 工程概況

某地鐵換乘站位于兩條大道交叉處， 呈南北走向，車站東北方向為鍋爐廠，東南方向為城市廣場和住宅區(qū)，西北方向為城市廣場和學(xué)校，西南方向為城市廣場。兩大道為該市的主要道路，車流、人流較大。地鐵站周圍地表以下45 m 以內(nèi)地基土屬第四系（Q）沉積地層，土體主要是黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土，其參數(shù)如表1 所示。

該車站主體采用兩層三跨鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，基坑長為220.6 m、標(biāo)準(zhǔn)段寬為21.5 m、深約為16.8 m，端頭井段寬為26.7 m、深約為18.7 m，同時實施的換乘節(jié)點處基坑深度約為24.0 m， 基底埋深最深處為15.5 m。 車站采用明挖法施工， 基坑深為16.8 m， 主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用間隔鉆孔灌注樁和設(shè)3 道鋼支撐的支護(hù)形式。3 道鋼管內(nèi)支撐分別設(shè)置于－1 m、－6.5 m、－12.5 m 標(biāo)高處，第一道支撐水平間距為6.0 m，第二、三道支撐水平間距為4.0 m。 基坑的圍擋支護(hù)形式如圖1 所示。

表1 土體參數(shù)Tab.1 Soil parameters

2 數(shù)值模擬

2.1 計算方法

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面圖Fig.1 Retaining support cross section of standard section

本文采用有限元軟件對基坑開挖與圍擋支護(hù)過程進(jìn)行模擬， 對基坑開挖的工況以及支護(hù)手段進(jìn)行數(shù)值分析。 在建立基坑模型時，假設(shè)土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)材料都是均質(zhì)、各向同性材料。 基坑模型的長、寬、高均為24 m。 模型將土體分為4 層，層厚分別為2.4 m、6.6 m、6.0 m 和9.0 m， 然后對每一層土體進(jìn)行參數(shù)賦值，如表1 所示。 對賦值模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，采用摩爾庫倫模型進(jìn)行模擬計算，獲得模型的初始平衡狀態(tài) （即模擬開挖前的原巖應(yīng)力狀態(tài)）。最后，進(jìn)行工程開挖和支撐，或改變邊界條件進(jìn)行工程的響應(yīng)分析， 通過顯式有限差分程序的方法進(jìn)行求解［9］。

2.2 模擬開挖與支撐

根據(jù)深基坑開挖施工的實際情況，對相應(yīng)施工工況進(jìn)行模擬。 每一步都先進(jìn)行開挖，再利用NULL 模型對相應(yīng)的網(wǎng)格單元進(jìn)行開挖模擬，然后利用BEAM單元對架設(shè)鋼支撐進(jìn)行模擬。 在邊界條件的處理上，限制模型右側(cè)x 方向的位移和模型底部任何方向的位移，以此反復(fù)，直到開挖完成，終止模型計算。

本次建模取基坑長（x 方向）為24 m、寬（y 方向）為12 m、高（z 方向）為24 m。 為方便模擬，第一次開挖到7 m， 第二次開挖到13 m， 第三次開挖到17 m（z 方向）。

2.2.1 第一次開挖及支撐

圖2 和圖3 分別為開挖到地下7 m（z＝－7）時的開挖網(wǎng)格圖和在地下1 m 處（z＝－1） 設(shè)2 道鋼支撐（y＝3，y＝9）的支撐網(wǎng)格圖。

2.2.2 第二次開挖及支撐

圖4 和圖5 分別為開挖到地下13 m （z＝－13）時的開挖網(wǎng)格圖和在地下7 m 處（z＝－7）設(shè)3 道鋼支撐（y＝2，y＝6，y＝10）的支撐網(wǎng)格圖。

圖2 第一次開挖網(wǎng)格圖Fig.2 The first excavation grid

圖3 第一道鋼支撐網(wǎng)格圖Fig.3 The first steel shotcrete grid

圖4 第二次開挖網(wǎng)格圖Fig.4 The second excavation grid

圖5 第二道鋼支撐網(wǎng)格圖Fig.5 The second steel shotcrete grid

2.2.3 第三次開挖及支撐

圖6 和圖7 分別為開挖到地下17 m（z＝－17）時的開挖網(wǎng)格圖和在地下13 m 處（z＝－13）設(shè)3 道鋼支撐（y＝2，y＝6，y＝10）的支撐網(wǎng)格圖。

圖6 第三次開挖網(wǎng)格圖Fig.6 The third excavation grid

圖7 第三道鋼支撐網(wǎng)格圖Fig.7 The third steel shotcrete grid

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 主應(yīng)力分析

3 次開挖的主應(yīng)力分布情況如圖8～圖10 所示。 由圖8～圖10 可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，最大主應(yīng)力集中在坑底和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，基坑底部的土體變化速率也在慢慢增加。 最大主應(yīng)力均為由上至下逐步遞增，并且方向向下。 在同一水平位置上， 未開挖部分的最大主應(yīng)力都比開挖部分的最大主應(yīng)力小。 這符合基坑開挖土體應(yīng)力的變化規(guī)律。 在基坑底部靠近圍擋結(jié)構(gòu)的地方，出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象， 說明該部分受力情況相對復(fù)雜。

圖8 第一次開挖主應(yīng)力分布圖Fig.8 Principal stress distribution of the first excavation

圖9 第二次開挖主應(yīng)力分布圖Fig.9 Principal stress distribution of the second excavation

圖10 第三次開挖主應(yīng)力分布圖Fig.10 Principal stress distribution of the third excavation

2.3.2 縱向位移分析

3 次開挖的縱向位移變化情況如圖11～圖13所示。 由圖11 可以看出，在開挖土體的時候，原始應(yīng)力場被破壞，土體中的應(yīng)力重新分布，基坑周圍土體有輕微隆起，較遠(yuǎn)處有輕微沉降，基坑底部出現(xiàn)隆起。由圖12 和圖13 可以看出，隨著基坑開挖深度的不斷增加，基坑底部土體的縱向位移量逐漸增大。 基坑底部有很明顯的隆起，越靠近基坑的中心，基坑底部隆起量就越大。 基坑周邊地表有沉降，現(xiàn)降量隨著到基坑坡頂距離的增大而逐漸減小。

圖11 第一次開挖縱向位移圖Fig.11 Vertical displacement of the first excavation

圖12 第二次開挖縱向位移圖Fig.12 Vertical displacement of the second excavation

圖13 第三次開挖縱向位移圖Fig.13 Vertical displacement of the third excavation

2.3.3 水平位移分析

3 次開挖的水平位移如圖14～圖16 所示。 由圖14～圖16 可以得出：（1）在基坑開挖過程中，由于側(cè)向約束力逐步被解除，因此，會產(chǎn)生水平位移，且同等深度的水平位移隨著開挖深度的增加而增加。（2）在開挖深度不斷增加的情況下， 開挖平面上的水平位移在逐步增大， 而開挖面以下土體的水平位移是先增大后減少。這是因為第一次開挖坑底產(chǎn)生隆起，故開挖面以下產(chǎn)生較大的位移， 隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐的逐步到位，水平位移逐漸減小。 每次開挖帶來的水平位移的變化都是先增大后減小，開挖面的土體向基坑內(nèi)部移動的位移較大。 （3）在進(jìn)行第三次開挖時，基坑土體水平位移隨開挖深度的不斷增加而逐步增加。 在開挖至深基坑底部的時候，水平位移值達(dá)到最大，最大水平位移發(fā)生在基坑的上半部分。

圖14 第一次開挖水平位移變化圖Fig.14 Horizontal displacement change of the first excavation

圖15 第二次開挖水平位移變化圖Fig.15 Horizontal displacement change of the second excavation

圖16 第三次開挖水平位移變化圖Fig.16 Horizontal displacement change of the third excavation

3 結(jié)語

本文根據(jù)基坑開挖及支護(hù)的工程特點， 采用有限元軟件對基坑開挖及圍擋支護(hù)的最大主應(yīng)力、縱向位移和水平位移進(jìn)行分析， 得出如下結(jié)論：（1）最大主應(yīng)力主要集中在坑底和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)， 在坑底和基坑邊坡的區(qū)域容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，故在基坑工程施工過程中， 應(yīng)特別注意此區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 （2） 基坑底部和基坑周圍的土體有明顯的隆起，這表明基坑開挖對基坑底部底板的強(qiáng)度要求高。基坑對周圍的土體影響較大， 尤其是周圍有建筑物時，應(yīng)控制其對周圍土體的位移影響。 （3）在開挖至深基坑底部的時候， 基坑靠上部分的水平位移達(dá)到最大。 在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)該部分的水平支護(hù)。 需要說明的是， 本文僅考慮了基坑開挖對周圍土體的影響，對周圍建筑或堆載的影響有待進(jìn)一步研究。